DDR3存儲器接口控制器IP加速了數(shù)據(jù)處理應(yīng)用

DDR3存儲器系統(tǒng)可以大大提升各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的性能。然而，和過去幾代（DDR和DDR2）器件相比，DDR3存儲器器件有了一些新的要求。為了充分利用和發(fā)揮DDR3存儲器的優(yōu)點，使用一個高效且易于使用的DDR3存儲器接口控制器是非常重要的。視屏處理應(yīng)用就是一個很好的示例，說明了DDR3存儲器系統(tǒng)的主要需求以及在類似數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)中DDR3接口所需的特性。

視頻處理系統(tǒng)將對于數(shù)據(jù)帶寬的要求推高到了極致：系統(tǒng)可以處理越多的數(shù)據(jù)，就具有越高的性價比。視頻聚合器和路由器可并行處理多個視頻流，因此對于匹配數(shù)據(jù)處理能力和視頻帶寬的需求就成為了設(shè)計的一大挑戰(zhàn)。FPGA可通過在單個FPGA中實現(xiàn)多個視頻處理器來提供強大的處理能力。那么現(xiàn)在的挑戰(zhàn)就變成了要使數(shù)據(jù)盡快且高效地從FPGA進出。DDR3存儲器系統(tǒng)在大多數(shù)情況下可以為這些基于FPGA的系統(tǒng)提供足夠的帶寬。

視頻處理設(shè)計說明

我們的目標視頻處理設(shè)計將同時處理四個視頻源，將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和壓縮為一種可以通過PCI Express接口傳輸?shù)酱鎯ζ鱤ub的格式。系統(tǒng)的主要功能塊如圖1所示。

圖1：視頻處理器框圖

FPGA獲取并緩存四個視頻源的數(shù)據(jù)流。這些FIFO緩沖器由DDR3存儲器控制器清空并保存在DDR3存儲器中。一旦一個完整的視頻數(shù)據(jù)包存儲完畢，視頻處理器會向DDR3存儲器控制器申請數(shù)據(jù)，存儲器控制器讀取數(shù)據(jù)并將其傳到視頻處理器。視頻處理器對視頻數(shù)據(jù)進行格式化和壓縮，并通過DDR3存儲器控制器寫回存儲器。當一個視頻數(shù)據(jù)包全部處理完畢，并準備通過PCI Express接口進行傳輸，DDR3存儲器控制器從視頻處理器獲取數(shù)據(jù)并將其傳到PCI Express接口。

DDR3存儲器接口控制器概述

從零開始設(shè)計一個DDR3存儲器控制器是非常困難的。需要考慮許多特性之間的權(quán)衡和互相影響。使用一個經(jīng)驗證的IP核可以省去了大量的開發(fā)、測試和調(diào)試時間，否則就需要花費許多時間來進行in-house設(shè)計開發(fā)。一個經(jīng)驗證的IP核還可以減少后續(xù)支持的負擔，因為這將由專門的開發(fā)人員來支持。最重要的是，使用一個經(jīng)驗證的IP核可以使設(shè)計師將精力集中在其設(shè)計的獨特特性上，從而向最終客戶交付高價值的產(chǎn)品設(shè)計。例如，LatticeECP3 DDR3存儲器控制器IP核已經(jīng)通過了一個第三方驗證套件的驗證。該IP核使用LatticeECP3 I/O協(xié)議板來實現(xiàn)并通過全部測試。

圖2展示了一個存儲器控制器的框圖。圖最上面的配置接口用于設(shè)置設(shè)計的各個選項。DDR3 I/O模塊使用I/O 基元來實現(xiàn)。指令譯碼模塊根據(jù)每個bank和每一行，對用戶指令進行譯碼，產(chǎn)生內(nèi)部存儲器指令序列。指令應(yīng)用模塊將每條指令序列轉(zhuǎn)換為滿足目標存儲器件功能和時序要求的存儲器指令。數(shù)據(jù)通路模塊與DDR3 I/O模塊連接，并且在讀操作時產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)有效信號。讀數(shù)據(jù)偏移校正模塊對齊每一條8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，調(diào)整任何可能的時鐘偏移。這使得用戶端的讀數(shù)據(jù)總線與系統(tǒng)時鐘準確校準。寫調(diào)整模塊為了正確的捕獲數(shù)據(jù)，調(diào)整了DQS對CK的關(guān)系。ODT塊通過為任意或所有DDR3 SDRAM器件提供單獨的終端阻抗控制，提高了存儲器通道的信號完整性。

圖2：DDR3存儲器控制器IP核框圖

DDR3存儲器控制器應(yīng)支持廣泛的存儲器速率和配置，以滿足各種應(yīng)用需求。例如，Lattice ECP3 DDR3存儲器控制器支持高達800Mb/s的DDR3器件速率，8至64位的存儲器數(shù)據(jù)通道（帶有x8或x16 DDR3器件），并且同時支持雙列直插式存儲器塊（Dual Inline Memory Modules，DIMM）和單個存儲器的器件。

DDR3存儲器控制器必須為各種存儲器訪問實現(xiàn)不同的時序要求。一些要求對于我們的目標應(yīng)用來說非常重要，包括以下幾個方面：

DDR3存儲器使用“類似cache”的bank進行組織，每個器件帶有8個bank。訪問最近工作（打開）的bank比訪問未工作的（關(guān)閉）的bank速度快。 可使用4位、8位或交叉存取方式進行突發(fā)（burst）模式讀訪問。 根據(jù)存儲器速率和用戶設(shè)置，CAS和寫延遲都是可變的。從讀請求轉(zhuǎn)換為寫請求需要額外的延遲時間，因為雙向的數(shù)據(jù)總線必須改變傳輸方向。

針對視頻處理的IP核實現(xiàn)

為了使存儲器數(shù)據(jù)帶寬和效率最大化，針對視頻處理設(shè)計的IP核實現(xiàn)需根據(jù)DDR3存儲器特性使用相匹配的算法。下面列出了一些重要的實現(xiàn)考慮。

使用突發(fā)（Burst）模式的數(shù)據(jù)訪問

DDR3存儲器可通過突發(fā)模式訪問，突發(fā)模式在數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊形式存放（如視頻處理應(yīng)用）的應(yīng)用中是非常有效的。同樣，通過將視頻數(shù)據(jù)以優(yōu)化的方式放入8個bank中，數(shù)據(jù)傳輸帶寬和之后的數(shù)據(jù)處理率可維持在一個高速的水平。在我們的示例中有4個視頻源，因此如果我們?yōu)槊總€視頻源使用2個bank（一個用作存儲緩沖器，另一個用作處理緩沖器），這將使DDR3保持高傳輸效率。高效的DDR3存儲器控制器應(yīng)當基于每個bank的狀態(tài)，使用最快的訪問時間處理突發(fā)讀和寫。此外，視頻處理器將事務(wù)分組，使總線換向時間最小化并進一步提高存儲器帶寬。

更高帶寬的數(shù)據(jù)緩沖分配

來自視頻源1的數(shù)據(jù)可通過FIFO讀取并存儲到DDR3存儲器中的Bank 1。這將是一個只寫操作，可以使用突發(fā)模式來保持傳輸?shù)母咝?。一旦一個數(shù)據(jù)包保存到Bank 1，視頻處理器可從Bank 1讀出數(shù)據(jù)，對其進行操作并存入Bank 2。這些操作都可使用突發(fā)模式，因此總線換向的花銷僅占用存儲器帶寬的很小的百分比。一旦Bank 2中的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可被讀出，還是使用突發(fā)模式，然后發(fā)送到PCI Express接口，再傳輸?shù)絟ub。盡可能地保持存儲器bank為打開狀態(tài)可使得控制器使用最短的存儲器訪問時間，從而提高了效率。

使用交叉存取的并行數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)讀可在bank之間切換或交叉存取，而無需大量延遲或總線換向時間。因此，只要處理硬件能夠支持，多個視頻流可通過視頻處理器同時處理。當處理好的數(shù)據(jù)寫回DDR3存儲器時，多個寫操作也可以通過交叉存取來提高帶寬。一個易于使用和可預測的存儲器控制器，如：ECP3 DDR3存儲器控制器，在用戶基于其對數(shù)據(jù)處理的基本算法的了解的情況下來分配存儲器緩沖區(qū)時，可以最小的硬件和軟件開銷來實現(xiàn)最大的帶寬。

刷新和初始化

因為DDR3存儲器中的數(shù)據(jù)必須定期進行刷新，一些存儲器訪問必須分配給刷新操作。DDR3控制器應(yīng)支持自動刷新指令隊列，它可能是深度為8的指令集，可以作為一個指令組來執(zhí)行，以使效率最大化。DDR3器件的初始化過程是非常繁復的并且很容易出錯，特別是在手動執(zhí)行時。DDR3控制器的初始化模塊應(yīng)該通過與用戶邏輯的一次簡單的握手，自動初始化存儲器，從而極大地簡化了接口設(shè)計。

流水線的指令處理

存儲器控制器應(yīng)當使用指令流水線來提高吞吐率，在當前指令出現(xiàn)在存儲器接口時，譯碼隊列中的下一條指令。這種方法提供了高于雙周期存儲器控制器100%的吞吐量。

功耗管理

在一些DDR3應(yīng)用中，功耗管理可能是一個需要考慮問題。在一些設(shè)計中，使用Power Down指令是非常有用的。該指令在沒有數(shù)據(jù)訪問需求的時候，降低功耗。在power down狀態(tài)下，器件功耗的降低可達90%。萊迪思DDR3存儲器控制器支持該指令。此外，萊迪思ECP3為帶有SERDES和高速接口，如DDR3存儲器控制器的應(yīng)用提供最低功耗的可編程解決方案。

設(shè)計和驗證流程

DDR3存儲器控制器IP核必須易于配置、生成并應(yīng)用到一個目標設(shè)計中。使用圖形化用戶界面（GUI）來配置各種DDR3控制器參數(shù)是一種簡便的方法，為目標系統(tǒng)快速創(chuàng)建正確的控制器。所有的參數(shù)都需要確定，如：存儲器寬度、深度、速度和延遲。每一類配置參數(shù)都有其獨立的選項卡，有助于將設(shè)計任務(wù)分為一個個可管理的“任務(wù)塊”。一旦參數(shù)選定，生成代碼（用VHDL或Verilog）和生成相應(yīng)的測試基準應(yīng)當是比較容易的。

例如，萊迪思IPexpress工具只需三個步驟，如圖3所示，在ispLEVER設(shè)計軟件中創(chuàng)建ECP3 DDR3存儲器控制器IP核：

1)從萊迪思網(wǎng)站下載IPexpress工具并將IP核導入。

2)IP核參數(shù)可通過每個配置組對應(yīng)的選項卡進行選擇，配置組有：類型、設(shè)置、時序、引腳和設(shè)計工具。

3)基于Verilog或VHDL的IP核和測試基準一起生成，包括頂層、監(jiān)視器、指令生成器、用于Aldec或ModelSim的配置和腳本文件。

圖3：下載、配置和生成IP核設(shè)計流程

小結(jié)

在數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的設(shè)計中，如本文中視頻處理的例子，當存儲器具有足夠的帶寬時，可以充分利用FPGA的并行處理能力的優(yōu)勢。DDR3存儲器具有靈活、易于使用的存儲器控制器，如：萊迪思ECP3 DDR3存儲器控制器IP核，加上正確使用突發(fā)模式訪問、數(shù)據(jù)緩沖器分配和存儲器交叉存取可以大大加快數(shù)據(jù)處理速度。此外，一個經(jīng)驗證的IP核與可靠的設(shè)計和驗證環(huán)境也加速了這些應(yīng)用的上市。